JP2012238420A - リチウムイオン二次電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】高電圧、高エネルギー密度を有し、かつ充放電サイクルによる劣化を低減できるリチウムイオン二次電池を提供する。
【解決手段】本発明に係るリチウムイオン二次電池は、(A)LiB(CN)4と、(B)炭素−炭素不飽和結合を少なくとも一つ有する環状炭酸エステルと、(C)カルボン酸エステルと、を含有し、前記(B)成分の含有量(MB)[mmol/g]と前記(C)成分の含有量(MC)[mmol/g]との比率(MB/MC)が0.001〜0.5である非水電解液を備えることを特徴とする。
【選択図】なし
【解決手段】本発明に係るリチウムイオン二次電池は、(A)LiB(CN)4と、(B)炭素−炭素不飽和結合を少なくとも一つ有する環状炭酸エステルと、(C)カルボン酸エステルと、を含有し、前記(B)成分の含有量(MB)[mmol/g]と前記(C)成分の含有量(MC)[mmol/g]との比率(MB/MC)が0.001〜0.5である非水電解液を備えることを特徴とする。
【選択図】なし
Description
本発明は、リチウムイオン二次電池に関する。
近年、電子機器の駆動用電源として高電圧、高エネルギー密度を有する蓄電デバイスが要求されている。特にリチウムイオン電池は、高電圧、高エネルギー密度を有する蓄電デバイスとして期待されている。このようなリチウムイオン二次電池において、良好な充放電特性を得るためには、正極ないし負極の特性改良だけでは不十分であり、イオンの移送を担う電解液の特性改良が不可欠である。
電解液としては、エチレンカーボネート等の環状炭酸エステル、ジメチルカーボネート等の鎖状炭酸エステル、γ−ブチロラクトン等のカルボン酸エステル等の非水溶媒にリチウムヘキサフルオロホスフェート(LiPF6)のようなリチウム塩を溶解させた非水電解液が一般的に利用されている。特にカルボン酸エステルの1種であるラクトン系化合物は、凝固点が低く、かつ高誘電率を有しているため、低温状態でも十分な伝導度を確保することができる(例えば、特許文献1参照)。
ところが、カルボン酸エステルは負極上で容易に還元分解されるため、充放電を繰り返すことにより電解液が劣化し、容量の低下や分解生成物による内部抵抗の増大を招来するという問題があった。この問題を改善するために、ビニレンカーボネートを電解液へ添加する技術が検討されている(例えば、特許文献2参照)。これにより、負極上に保護被膜を形成させてカルボン酸エステルの分解を抑制し、充放電サイクルによる電解液の劣化を低減させることができる。
一方、テトラシアノボレート(LiB(CN)4)のような広い電位窓を有するリチウム塩(例えば、特許文献3参照)を電解液の溶質として用いることにより、高電圧および高エネルギー密度を有するリチウムイオン二次電池を作製することが可能となる。
しかしながら、テトラシアノボレート(LiB(CN)4)のような広い電位窓を有するリチウム塩を電解液の溶質として用いたリチウムイオン二次電池において、充放電特性が劣化しにくいリチウムイオン二次電池を作製するためには、どのような電解液組成とすればよいのか明らかではなかった。
そこで、本発明に係る幾つかの態様は、上記課題を解決することで、高電圧、高エネルギー密度を有し、かつ充放電サイクルによる劣化を低減できるリチウムイオン二次電池を提供するものである。
本発明は上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の態様または適用例として実現することができる。
[適用例1]
本発明に係るリチウムイオン二次電池の一態様は、
(A)LiB(CN)4と、
(B)炭素−炭素不飽和結合を少なくとも一つ有する環状炭酸エステルと、
(C)カルボン酸エステルと、
を含有し、
前記(B)成分の含有量(MB)[mmol/g]と前記(C)成分の含有量(MC)[mmol/g]との比率(MB/MC)が0.001〜0.5である非水電解液を備えることを特徴とする。
本発明に係るリチウムイオン二次電池の一態様は、
(A)LiB(CN)4と、
(B)炭素−炭素不飽和結合を少なくとも一つ有する環状炭酸エステルと、
(C)カルボン酸エステルと、
を含有し、
前記(B)成分の含有量(MB)[mmol/g]と前記(C)成分の含有量(MC)[mmol/g]との比率(MB/MC)が0.001〜0.5である非水電解液を備えることを特徴とする。
[適用例2]
適用例1のリチウムイオン二次電池において、
前記(B)炭素−炭素不飽和結合を少なくとも一つ有する環状炭酸エステルが、下記一般式(1)で示される化合物であることができる。
(式(1)中、R1およびR2はそれぞれ独立に、水素原子、ハロゲン原子、炭素数1〜6のアルキル基もしくはアルケニル基、またはフェニル基である。)
適用例1のリチウムイオン二次電池において、
前記(B)炭素−炭素不飽和結合を少なくとも一つ有する環状炭酸エステルが、下記一般式(1)で示される化合物であることができる。
[適用例3]
適用例1のリチウムイオン二次電池において、
前記(B)炭素−炭素不飽和結合を少なくとも一つ有する環状炭酸エステルが、ビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネート、ジビニルエチレンカーボネートおよびフッ素化ビニレンカーボネートから選択される少なくとも1種であることができる。
適用例1のリチウムイオン二次電池において、
前記(B)炭素−炭素不飽和結合を少なくとも一つ有する環状炭酸エステルが、ビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネート、ジビニルエチレンカーボネートおよびフッ素化ビニレンカーボネートから選択される少なくとも1種であることができる。
[適用例4]
適用例1ないし適用例3のいずれか一例のリチウムイオン二次電池において、
前記(C)カルボン酸エステルが、下記一般式(2)で示される化合物であることができる。
(式(2)中、R3〜R8はそれぞれ独立に、水素原子、ハロゲン原子、炭素数1〜6のアルキル基またはアセチル基である。)
適用例1ないし適用例3のいずれか一例のリチウムイオン二次電池において、
前記(C)カルボン酸エステルが、下記一般式(2)で示される化合物であることができる。
[適用例5]
適用例1ないし適用例3のいずれか一例のリチウムイオン二次電池において、
前記(C)カルボン酸エステルが、γ−ブチロラクトンであることができる。
適用例1ないし適用例3のいずれか一例のリチウムイオン二次電池において、
前記(C)カルボン酸エステルが、γ−ブチロラクトンであることができる。
本発明に係るリチウムイオン二次電池によれば、高電圧、高エネルギー密度を有し、かつ充放電サイクルによる劣化を低減させることができる。特にテトラシアノボレート(LiB(CN)4)のような広い電位窓を有するリチウム塩を電解液の溶質として用いた場合において、充放電特性の劣化を効果的に低減できるリチウムイオン二次電池が提供される。
以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。
1.リチウムイオン二次電池
本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池は、(A)LiB(CN)4(以下、単に「(A)成分」ともいう)と、(B)炭素−炭素不飽和結合を少なくとも一つ有する環状炭酸エステル(以下、単に「(B)成分」ともいう)と、(C)カルボン酸エステル(以下、単に「(C)成分」ともいう)と、を含有し、前記(B)成分の含有量(MB)[mmol/g]と前記(C)成分の含有量(MC)[mmol/g]との比率(MB/MC)が0.001〜0.5である非水電解液を備えることを特徴とする。
以下、本実施の形態に係るリチウムイオン二次電池の非水電解液を構成する成分について詳細に説明する。
本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池は、(A)LiB(CN)4(以下、単に「(A)成分」ともいう)と、(B)炭素−炭素不飽和結合を少なくとも一つ有する環状炭酸エステル(以下、単に「(B)成分」ともいう)と、(C)カルボン酸エステル(以下、単に「(C)成分」ともいう)と、を含有し、前記(B)成分の含有量(MB)[mmol/g]と前記(C)成分の含有量(MC)[mmol/g]との比率(MB/MC)が0.001〜0.5である非水電解液を備えることを特徴とする。
以下、本実施の形態に係るリチウムイオン二次電池の非水電解液を構成する成分について詳細に説明する。
1.1.非水電解液
1.1.1.(A)成分
本実施の形態に係るリチウムイオン二次電池の非水電解液は、(A)LiB(CN)4を含有する。前記(A)成分は、非水電解液に電気伝導性を付与することができる溶質である。前記(A)成分と一般的な非水電解液に添加されているF6P−、F4B−等とを比較すると、Gaussian03の計算結果によれば(A)成分の方がより強い耐酸化性を有し、+10Vでの酸化電位においても分解されにくいと考えられる。そのため、(A)成分を添加することで、非水電解液の電位窓を拡大できると考えられる。このような非水電解液を蓄電デバイスに適用することによって、蓄電デバイスの作動電圧が向上し、高エネルギー密度の実現が期待できる。さらに、(A)成分は熱分解開始温度が400℃以上であるため、非水電解液の安全性や劣化の抑制にも優れている。
1.1.1.(A)成分
本実施の形態に係るリチウムイオン二次電池の非水電解液は、(A)LiB(CN)4を含有する。前記(A)成分は、非水電解液に電気伝導性を付与することができる溶質である。前記(A)成分と一般的な非水電解液に添加されているF6P−、F4B−等とを比較すると、Gaussian03の計算結果によれば(A)成分の方がより強い耐酸化性を有し、+10Vでの酸化電位においても分解されにくいと考えられる。そのため、(A)成分を添加することで、非水電解液の電位窓を拡大できると考えられる。このような非水電解液を蓄電デバイスに適用することによって、蓄電デバイスの作動電圧が向上し、高エネルギー密度の実現が期待できる。さらに、(A)成分は熱分解開始温度が400℃以上であるため、非水電解液の安全性や劣化の抑制にも優れている。
前記非水電解液における(A)成分の含有量は、非水電解液の用途等により適宜設定することになるが、例えば、非水電解液の全質量に対して、1.0×10−1〜2.0×100[mmol/g]であることが好ましく、3.0×10−1〜1.0×100[mmol/g]であることがより好ましい。(A)成分の含有量が前記範囲であると、(A)成分の非水溶媒への溶解性を確保できると共に、非水電解液中のイオン濃度が十分に高いためイオン伝導度が高く好ましい。
前記(A)成分の製造方法は、特に制限されないが、特開2010−13433号公報に開示されているように、特定の金属(Zn、Ga、Pd、Sn、Hg、Rh、CuおよびPbから選択される1種)を含むシアン化合物とホウ素化合物とを出発原料として反応させることにより、穏やかな条件で安定かつ高純度な「B−(CN)4」を製造することができる。従来使用されてきたP−F6やB−F4等のアニオンを含有する塩と比較して、前記製造方法により製造されたB−(CN)4は水分等の不純物含量が少ないため、充放電サイクルにおいて電極を劣化させることがなく好ましい。
1.1.2.(B)成分
本実施の形態に係るリチウムイオン二次電池の非水電解液は、(B)炭素−炭素不飽和結合を少なくとも一つ有する環状炭酸エステルを含有する。前記(B)成分は、負極上で保護被膜を形成することができ、(C)カルボン酸エステルの負極上での分解を抑制することができる。
本実施の形態に係るリチウムイオン二次電池の非水電解液は、(B)炭素−炭素不飽和結合を少なくとも一つ有する環状炭酸エステルを含有する。前記(B)成分は、負極上で保護被膜を形成することができ、(C)カルボン酸エステルの負極上での分解を抑制することができる。
前記(B)成分としては、下記一般式(1)で示される化合物であることが好ましい。
(式(1)中、R1およびR2はそれぞれ独立に、水素原子、ハロゲン原子、炭素数1〜6のアルキル基もしくはアルケニル基、またはフェニル基である。)
前記(B)成分の具体例としては、ビニレンカーボネート(VC)、3−メチルビニレンカーボネート、3,4−ジメチルビニレンカーボネート、3−エチルビニレンカーボネート、3,4−ジエチルビニレンカーボネート、3−プロピルビニレンカーボネート、3,4−ジプロピルビニレンカーボネート、3−フェニルビニレンカーボネート、3,4−ジフェニルビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネート(VEC)、ジビニルエチレンカーボネート(DVEC)、フッ素化ビニレンカーボネート等が挙げられる。これらは単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。これらの化合物は、その水素原子の一部がフッ素原子で置換されていてもよい。特にビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネートおよびジビニルエチレンカーボネートから選択される少なくとも1種を用いると、負極上で効率良く保護被膜を形成することで(C)カルボン酸エステルの加水分解を抑制する効果がより高くなるため好ましい。
前記非水電解液における(B)成分の含有量は、非水電解液の用途等により適宜設定することになるが、例えば非水電解液の全質量に対して、1.0×10−2〜4.0×100[mmol/g]であることが好ましく、1.0×10−1〜2.0×100[mmol/g]であることがより好ましい。(B)成分の含有量が前記範囲であると、負極上で過剰な保護被膜が形成されずに適度な保護被膜が形成される。また、(C)カルボン酸エステルの分解が抑制されることで、分解生成物による内部抵抗の増大が抑制される。これらの結果、良好な充放電特性を示すリチウムイオン二次電池が実現される。なお、前記非水電解液において(B)成分は(A)成分の貧溶媒であるが、(B)成分の含有量が前記範囲であれば(A)成分の溶解度を十分に確保することができる。そのため、(B)成分の含有量が前記範囲であると、広範な温度範囲において(A)成分が析出することのない安定した非水電解液を作製することができる点で好ましい。
1.1.3.(C)成分
本実施の形態に係るリチウムイオン二次電池の非水電解液は、(C)カルボン酸エステルを含有する。前記(C)成分は、環状エーテル構造を有するカルボン酸エステルであることが好ましく、下記一般式(2)で示される化合物であることがより好ましい。
(式(2)中、R3〜R8はそれぞれ独立に、水素原子、ハロゲン原子、炭素数1〜6のアルキル基またはアセチル基である。)
本実施の形態に係るリチウムイオン二次電池の非水電解液は、(C)カルボン酸エステルを含有する。前記(C)成分は、環状エーテル構造を有するカルボン酸エステルであることが好ましく、下記一般式(2)で示される化合物であることがより好ましい。
前記(C)成分としては、例えば、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、ブチレンカーボネート(BC)、γ−ブチロラクトン(GBL)、γ−バレロラクトン(GVL)、α−アセチル−γ−ブチロラクトン、α−メチル−γ−ブチロラクトン、β−メチル−γ−ブチロラクトン、α−アンゲリカラクトン、α−メチレン−γ−ブチロラクトン、γ−ヘキサノラクトン、γ−ノナラクトン、γ−オクタノラクトン、γ−メチル−γ−デカノラクトン、およびこれらの誘導体等が挙げられる。これらは、1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。これらの化合物は、その水素原子の一部がフッ素原子で置換されていてもよい。
なお、前記(A)成分を高濃度で溶解できる観点から、前記例示した(C)成分の中でも、γ−ブチロラクトンを用いることが特に好ましい。
前記非水電解液における(C)成分の含有量は、非水電解液の用途等により適宜設定することになるが、例えば、非水電解液の全質量に対して、1〜20[mmol/g]であることが好ましく、5〜15[mmol/g]であることがより好ましい。(C)成分の含有量が前記範囲であると、前記(A)成分を高濃度で溶解させることができるため好ましい。
1.1.4.その他の添加剤
本実施の形態に係るリチウムイオン二次電池の非水電解液には、さらに(D)鎖状炭酸エステルを添加することができる。(D)鎖状炭酸エステルを添加することで、非水溶媒の粘度が低下し、低温時の電池の充放電特性をさらに向上させることができる。(D)鎖状炭酸エステルとしては、例えば、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジエチルカーボネート(DEC)等が挙げられる。これらは、1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。前記非水電解液における(D)鎖状炭酸エステルの含有量は、好ましくは50体積%以下、より好ましくは0.1〜30体積%以下、特に好ましくは0.1〜20体積%以下である。
本実施の形態に係るリチウムイオン二次電池の非水電解液には、さらに(D)鎖状炭酸エステルを添加することができる。(D)鎖状炭酸エステルを添加することで、非水溶媒の粘度が低下し、低温時の電池の充放電特性をさらに向上させることができる。(D)鎖状炭酸エステルとしては、例えば、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジエチルカーボネート(DEC)等が挙げられる。これらは、1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。前記非水電解液における(D)鎖状炭酸エステルの含有量は、好ましくは50体積%以下、より好ましくは0.1〜30体積%以下、特に好ましくは0.1〜20体積%以下である。
本実施の形態に係るリチウムイオン二次電池の非水電解液には、前記例示した成分以外に、必要に応じてリチウムイオン二次電池用非水電解液に添加し得る有機溶媒、イオン液体、ポリマー電解質、無機固体電解質等の成分を添加することができる。
1.1.5.(B)成分の含有量と(C)成分の含有量との関係
本実施の形態に係るリチウムイオン二次電池の非水電解液は、前記(B)成分の含有量(MB)[mmol/g]と前記(C)成分の含有量(MC)[mmol/g]との比率(MB/MC)が0.001〜0.5であることを特徴としている。該比率(MB/MC)は、0.005〜0.35であることが好ましく、0.02〜0.1であることがより好ましい。比率(MB/MC)が前記範囲内にある場合、負極上で過剰な保護被膜が形成されずに適度な保護被膜が形成される。また、(C)カルボン酸エステルの分解が抑制されることで、分解生成物による内部抵抗の増大が抑制される。これらの結果、良好な充放電特性を示すリチウムイオン二次電池が実現される。
本実施の形態に係るリチウムイオン二次電池の非水電解液は、前記(B)成分の含有量(MB)[mmol/g]と前記(C)成分の含有量(MC)[mmol/g]との比率(MB/MC)が0.001〜0.5であることを特徴としている。該比率(MB/MC)は、0.005〜0.35であることが好ましく、0.02〜0.1であることがより好ましい。比率(MB/MC)が前記範囲内にある場合、負極上で過剰な保護被膜が形成されずに適度な保護被膜が形成される。また、(C)カルボン酸エステルの分解が抑制されることで、分解生成物による内部抵抗の増大が抑制される。これらの結果、良好な充放電特性を示すリチウムイオン二次電池が実現される。
比率(MB/MC)が前記範囲未満の場合、負極上で(B)成分による十分な保護被膜を形成することができないため、(C)成分の分解を抑制することができない。したがって、充放電サイクルを繰り返すことにより、分解生成物による内部抵抗の増大を招来する。その結果、良好な充放電特性を示すリチウムイオン二次電池を実現することができない。
比率(MB/MC)が前記範囲を超える場合、非水電解液中における(A)成分の溶解性が著しく低下することにより、十分なイオン伝導度を確保できないため好ましくない。また、比率(MB/MC)が前記範囲を超える場合、特に高温条件下において負極上で(B)成分による過剰な保護被膜が形成されることがある。その過剰な保護被膜が妨げとなって、負極へのリチウムイオンの挿入、脱離がスムーズに行われなくなり、電池の充放電特性が著しく低下することがあるため好ましくない。
1.2.正極および負極
前記非水電解液を用いたリチウムイオン二次電池の正極および負極としては、一般的にリチウムイオン二次電池で用いられるものを使用できる。本実施の形態に係るリチウムイオン二次電池には、例えば以下に示す正極活物質および負極活物質を使用できる。
前記非水電解液を用いたリチウムイオン二次電池の正極および負極としては、一般的にリチウムイオン二次電池で用いられるものを使用できる。本実施の形態に係るリチウムイオン二次電池には、例えば以下に示す正極活物質および負極活物質を使用できる。
正極活物質としては、リチウムと1種以上の遷移金属を含有する複合酸化物(リチウム含有遷移金属酸化物)等の一般的な材料を使用することができる。このような正極活物質の中でも、組み立てたリチウムイオン二次電池の性能とその安定性、組立工程の容易性、信頼性の観点から、コバルト酸リチウムが特に好ましい。なお、コバルトは埋蔵量が少なく高価なため、埋蔵量が豊富なニッケル、マンガンおよび鉄系で一部代替されたものを用いてもよい。
負極活物質としては、金属リチウム、リチウムをドープ・脱ドープすることが可能な材料を用いることができる。リチウムをドープ・脱ドープすることが可能な材料としては、熱分解炭素類、コークス類(ピッチコークス、ニードルコークス、石油コークス等)、グラファイト類、ガラス状炭素類、有機高分子化合物焼成体(フェノール樹脂、フラン樹脂等を適当な温度で焼成し炭素化したもの)、炭素繊維、活性炭素等の炭素材料やポリアセチレン、ポリピロール、ポリアセン等のポリマー、Li4/3Ti5/3O4、TiS2等のリチウム含有遷移金属酸化物あるいは遷移金属硫化物が挙げられる。これらの負極活物質の中でも、炭素材料が好ましく、黒鉛が特に好ましい。
正極活物質は、例えば結着剤および導電剤と混練してペーストを作製し、該ペーストをアルミ箔製の集電体に塗工して極板に加工される。また、負極活物質は、例えば結着剤および導電剤と混練してペーストを作製し、銅箔製の集電体に塗工して極板に加工される。前記結着剤および前記導電剤には、従来公知のものをいずれも使用することができる。
1.3.セパレータ
本実施の形態に係るリチウムイオン二次電池には、正極と負極との間に挟まれるようにしてセパレータが設けられている。かかるセパレータは、正極と負極との接触に伴う短絡を防止し、前記非水電解液を保持してイオン導電性を確保する役割を担っている。セパレータとしては、一般的にリチウムイオン二次電池で用いられるものを使用することができるが、フィルム状の微多孔膜であることが好ましい。セパレータの材質としては、例えばポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィンが挙げられる。
本実施の形態に係るリチウムイオン二次電池には、正極と負極との間に挟まれるようにしてセパレータが設けられている。かかるセパレータは、正極と負極との接触に伴う短絡を防止し、前記非水電解液を保持してイオン導電性を確保する役割を担っている。セパレータとしては、一般的にリチウムイオン二次電池で用いられるものを使用することができるが、フィルム状の微多孔膜であることが好ましい。セパレータの材質としては、例えばポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィンが挙げられる。
1.4.使用態様
本実施の形態に係るリチウムイオン二次電池の形状としては、例えば円筒型、角型、コイン型、ボタン型、大型等があり、正極や負極、必要に応じてセパレータの態様をその形状に応じて適宜変更すればよい。
本実施の形態に係るリチウムイオン二次電池の形状としては、例えば円筒型、角型、コイン型、ボタン型、大型等があり、正極や負極、必要に応じてセパレータの態様をその形状に応じて適宜変更すればよい。
2.実施例
以下、本発明を実施例により説明するが、本発明はこれらの実施例により何ら限定されるものではない。
以下、本発明を実施例により説明するが、本発明はこれらの実施例により何ら限定されるものではない。
2.1.非水電解液の調製および評価
2.1.1.非水電解液の調製
露点が−80℃以下となるようにAr置換されたグローブボックス内で、(A)成分としてリチウムテトラシアノボレート(株式会社日本触媒製、型番「IX−1−NE−203」)8.0g[6.6×10−2mol]と、(B)成分としてビニレンカーボネート(キシダ化学株式会社製、型番「LBG−84922」)5.0g[5.8×10−2mol]、(C)成分としてγ−ブチロラクトン(キシダ化学株式会社製、型番「LBG−11785」)87g[1.0mol]と、を混合し、実施例1のリチウムイオン二次電池に使用する非水電解液を作製した。
2.1.1.非水電解液の調製
露点が−80℃以下となるようにAr置換されたグローブボックス内で、(A)成分としてリチウムテトラシアノボレート(株式会社日本触媒製、型番「IX−1−NE−203」)8.0g[6.6×10−2mol]と、(B)成分としてビニレンカーボネート(キシダ化学株式会社製、型番「LBG−84922」)5.0g[5.8×10−2mol]、(C)成分としてγ−ブチロラクトン(キシダ化学株式会社製、型番「LBG−11785」)87g[1.0mol]と、を混合し、実施例1のリチウムイオン二次電池に使用する非水電解液を作製した。
実施例2〜4、比較例1〜11に記載のリチウムイオン二次電池に使用する非水電解液については、(A)成分、(B)成分、(C)成分、その他の成分を表1に記載の添加量と種類に変更したこと以外は実施例1と同様の方法により作製した。
なお、表1における略称は下記の通りである。
・LiTCB;リチウムテトラシアノボレート(株式会社日本触媒製、型番「IX−1−NE−203」)
・LiPF6;6フッ化リン酸リチウム(キシダ化学株式会社製、型番「LBG−45864」)
・VC;ビニレンカーボネート(キシダ化学株式会社製、型番「LBG−84922」)
・GBL;γ−ブチロラクトン(キシダ化学株式会社製、型番「LBG−11785」)
・EC;エチレンカーボネート(キシダ化学株式会社製、型番「LBG−29015」)
・EMC;エチルメチルカーボネート(キシダ化学株式会社製、型番「LBG−31385」)
・DEC;ジエチルカーボネート(キシダ化学株式会社製、型番「LBG−23605」)
・PC;プロピレンカーボネート(キシダ化学株式会社製、型番「LBG−64950」)
・LiTCB;リチウムテトラシアノボレート(株式会社日本触媒製、型番「IX−1−NE−203」)
・LiPF6;6フッ化リン酸リチウム(キシダ化学株式会社製、型番「LBG−45864」)
・VC;ビニレンカーボネート(キシダ化学株式会社製、型番「LBG−84922」)
・GBL;γ−ブチロラクトン(キシダ化学株式会社製、型番「LBG−11785」)
・EC;エチレンカーボネート(キシダ化学株式会社製、型番「LBG−29015」)
・EMC;エチルメチルカーボネート(キシダ化学株式会社製、型番「LBG−31385」)
・DEC;ジエチルカーボネート(キシダ化学株式会社製、型番「LBG−23605」)
・PC;プロピレンカーボネート(キシダ化学株式会社製、型番「LBG−64950」)
2.1.2.非水電解液の溶解性評価
前記「2.1.1.非水電解液の調製」の項で調製した非水電解液10mLを、露点が−80℃以下となるようにAr置換されたグローブボックス内で20mLバイアル瓶に入れて密封し、常温にて16時間放置後外観を目視にて評価した。評価基準は以下の通りであり、その評価結果を表1に併せて示した。
「○」;透明である。
「△」;濁りが認められるものの沈殿物は生じていない。
「×」;濁りおよび沈殿物が認められる。
非水電解液の外観が透明であると溶質の溶解性が十分であり非水電解液として良好と判断できる。濁りがあるが沈殿物はない場合は飽和状態に近いものの電解液として使用可能と判断できる。沈殿物が認められるものは、組成が均一ではなく電解液として不良であり、リチウムイオン二次電池に適用することができない。
前記「2.1.1.非水電解液の調製」の項で調製した非水電解液10mLを、露点が−80℃以下となるようにAr置換されたグローブボックス内で20mLバイアル瓶に入れて密封し、常温にて16時間放置後外観を目視にて評価した。評価基準は以下の通りであり、その評価結果を表1に併せて示した。
「○」;透明である。
「△」;濁りが認められるものの沈殿物は生じていない。
「×」;濁りおよび沈殿物が認められる。
非水電解液の外観が透明であると溶質の溶解性が十分であり非水電解液として良好と判断できる。濁りがあるが沈殿物はない場合は飽和状態に近いものの電解液として使用可能と判断できる。沈殿物が認められるものは、組成が均一ではなく電解液として不良であり、リチウムイオン二次電池に適用することができない。
2.2.リチウムイオン電池セルの作製
2.2.1.負極の作製
二軸型プラネタリーミキサー(プライミクス株式会社製、商品名「TKハイビスミックス 2P−03」)に増粘剤(ダイセル化学工業株式会社製、商品名「CMC2200」)1.5質量部(固形分換算)、負極活物質としてグラファイト100質量部(固形分換算)、水68質量部を投入し、60rpmで1時間攪拌を行った。その後、電気化学デバイス電極用バインダー(JSR株式社製、商品名「TRD2001」)1質量部(固形分換算)を加え、さらに1時間攪拌しペーストを得た。得られたペーストに水を投入し、固形分を50%に調製した後、攪拌脱泡機(株式会社シンキー製、商品名「あわとり練太郎」)を使用して、200rpmで2分間、1800rpmで5分間、さらに真空下において1800rpmで1.5分間攪拌混合することにより、電気化学デバイス電極用スラリーを調製した。銅箔よりなる集電体の表面に、調製した電気化学デバイス電極用スラリーを、乾燥後の膜厚が80μmとなるようにドクターブレード法によって均一に塗布し、120℃で20分間乾燥処理した。その後、電極層の密度が1.8g/cm3となるようにロールプレス機によりプレス加工することにより、リチウムイオン二次電池用負極を得た。
2.2.1.負極の作製
二軸型プラネタリーミキサー(プライミクス株式会社製、商品名「TKハイビスミックス 2P−03」)に増粘剤(ダイセル化学工業株式会社製、商品名「CMC2200」)1.5質量部(固形分換算)、負極活物質としてグラファイト100質量部(固形分換算)、水68質量部を投入し、60rpmで1時間攪拌を行った。その後、電気化学デバイス電極用バインダー(JSR株式社製、商品名「TRD2001」)1質量部(固形分換算)を加え、さらに1時間攪拌しペーストを得た。得られたペーストに水を投入し、固形分を50%に調製した後、攪拌脱泡機(株式会社シンキー製、商品名「あわとり練太郎」)を使用して、200rpmで2分間、1800rpmで5分間、さらに真空下において1800rpmで1.5分間攪拌混合することにより、電気化学デバイス電極用スラリーを調製した。銅箔よりなる集電体の表面に、調製した電気化学デバイス電極用スラリーを、乾燥後の膜厚が80μmとなるようにドクターブレード法によって均一に塗布し、120℃で20分間乾燥処理した。その後、電極層の密度が1.8g/cm3となるようにロールプレス機によりプレス加工することにより、リチウムイオン二次電池用負極を得た。
2.2.2.正極の作製
二軸型プラネタリーミキサー(プライミクス株式会社製、商品名「TKハイビスミックス 2P−03」)に電気化学デバイス電極用バインダー(株式会社クレハ製、商品名「KFポリマー#1120」)4.0質量部(固形分換算)、導電助剤(電気化学工業株式会社製、商品名「デンカブラック50%プレス品」)3.0質量部、正極活物質として粒径5μmのLiCoO2(ハヤシ化成株式会社製)100質量部(固形分換算)、N−メチルピロリドン(NMP)36質量部を投入し、60rpmで2時間攪拌を行った。得られたペーストにNMPを投入し、固形分を65%に調製した後、攪拌脱泡機(株式会社シンキー社製、商品名「あわとり練太郎」を使用して、200rpmで2分間、1800rpmで5分間、さらに真空下において1800rpmで1.5分間攪拌混合することにより、電気化学デバイス電極用スラリーを調製した。アルミ箔よりなる集電体の表面に、調製した電気化学デバイス電極用スラリーを、乾燥後の膜厚が80μmとなるようにドクターブレード法によって均一に塗布し、120℃で20分間乾燥処理した。その後、電極層の密度が3.0g/cm3となるようにロールプレス機によりプレス加工することにより、リチウムイオン二次電池用正極を得た。
二軸型プラネタリーミキサー(プライミクス株式会社製、商品名「TKハイビスミックス 2P−03」)に電気化学デバイス電極用バインダー(株式会社クレハ製、商品名「KFポリマー#1120」)4.0質量部(固形分換算)、導電助剤(電気化学工業株式会社製、商品名「デンカブラック50%プレス品」)3.0質量部、正極活物質として粒径5μmのLiCoO2(ハヤシ化成株式会社製)100質量部(固形分換算)、N−メチルピロリドン(NMP)36質量部を投入し、60rpmで2時間攪拌を行った。得られたペーストにNMPを投入し、固形分を65%に調製した後、攪拌脱泡機(株式会社シンキー社製、商品名「あわとり練太郎」を使用して、200rpmで2分間、1800rpmで5分間、さらに真空下において1800rpmで1.5分間攪拌混合することにより、電気化学デバイス電極用スラリーを調製した。アルミ箔よりなる集電体の表面に、調製した電気化学デバイス電極用スラリーを、乾燥後の膜厚が80μmとなるようにドクターブレード法によって均一に塗布し、120℃で20分間乾燥処理した。その後、電極層の密度が3.0g/cm3となるようにロールプレス機によりプレス加工することにより、リチウムイオン二次電池用正極を得た。
2.2.3.リチウムイオン電池セルの組立て
露点が−80℃以下となるようにAr置換されたグローブボックス内で、2極式コインセル(宝泉株式会社製、商品名「HSフラットセル」)に、前記「2.2.1.負極の作製」の項にて作製した負極を直径16mmに打ち抜き成型したものを載置した。次いで、直径24mmに打ち抜いたポリプロピレン製多孔膜からなるセパレータ(セルガード株式会社製、商品名「セルガード#2400」)を載置し、さらに空気が入らないように前記「2.1.非水電解質の調製」の項にて作製した電解液を500μL注入した。その後、前記「2.2.2.正極の作製」の項にて作製した正極を直径16mmに打ち抜き成型したものを載置し、前記2極式コインセルの外装ボディーをネジで閉めて封止することによりリチウムイオン電池セルを作製した。
露点が−80℃以下となるようにAr置換されたグローブボックス内で、2極式コインセル(宝泉株式会社製、商品名「HSフラットセル」)に、前記「2.2.1.負極の作製」の項にて作製した負極を直径16mmに打ち抜き成型したものを載置した。次いで、直径24mmに打ち抜いたポリプロピレン製多孔膜からなるセパレータ(セルガード株式会社製、商品名「セルガード#2400」)を載置し、さらに空気が入らないように前記「2.1.非水電解質の調製」の項にて作製した電解液を500μL注入した。その後、前記「2.2.2.正極の作製」の項にて作製した正極を直径16mmに打ち抜き成型したものを載置し、前記2極式コインセルの外装ボディーをネジで閉めて封止することによりリチウムイオン電池セルを作製した。
2.3.充放電特性の評価
2.3.1.放電容量およびクーロン効率の評価(基本充放電特性)
前記「2.2.リチウムイオン電池セルの作製」の項にて作製した電池セルを、充放電測定装置(北斗電工株式会社製、型番「HJ1001SM8A」、電池セル常温下)に接続して放電容量およびクーロン効率の評価を行った。
2.3.1.放電容量およびクーロン効率の評価(基本充放電特性)
前記「2.2.リチウムイオン電池セルの作製」の項にて作製した電池セルを、充放電測定装置(北斗電工株式会社製、型番「HJ1001SM8A」、電池セル常温下)に接続して放電容量およびクーロン効率の評価を行った。
まず、定電流(0.1C)にて充電を開始し、電圧が4.2Vになった時点で引き続き定電圧(4.2V)にて充電を続行し、電流値が0.01Cとなった時点を充電完了(カットオフ)とした。その後、定電流(0.1C)にて放電を開始し、電圧が2.7Vになった時点を放電完了(カットオフ)とした。
次に、定電流(0.2C)にて充電を開始し、電圧が4.2Vになった時点で引き続き定電圧(4.2V)にて充電を続行し、電流値が0.01Cとなった時点を充電完了(カットオフ)とした。その後、定電流(0.2C)にて放電を開始し、電圧が2.7Vになった時点を放電完了(カットオフ)とした。
充電容量に対する放電容量の比で表されるクーロン効率(%)は、このようにして充放電した容量から算出した。各実施例および各比較例のリチウムイオン二次電池における0.1Cならびに0.2Cの条件における放電容量、および前記条件におけるクーロン効率を表1に併せて示す。
0.1Cおよび0.2Cのいずれの条件においても放電容量が100[mAh/g]以上である場合には容量が十分確保できているため、良好と判断できる。
0.1Cでのクーロン効率が80%以上である場合には、初期充放電時に効率良く負極表面に保護被膜が形成され、不可逆反応によるエネルギー損失が小さいため良好と判断できる。一方、80%未満である場合には、負極表面に保護被膜が効率良く形成されず不可逆反応によるエネルギー損失が大きいため不良と判断できる。
また、0.2Cでのクーロン効率が90%以上である場合には、0.1Cでの充放電で負極表面に安定な保護被膜が形成され、不可逆反応によるエネルギー損失が小さいため良好と判断できる。一方、90%未満である場合には、0.1Cの充放電での負極表面の保護被膜の形成が不十分となり、不可逆反応によるエネルギー損失が大きいため不良と判断できる。
なお、測定条件において、「1C」とはある一定の電気容量を有するセルを定電流放電して、1時間で放電終了となる電流値のことを示す。例えば「0.1C」とは、10時間かけて放電終了となる電流値のことであり、10Cとは0.1時間かけて放電完了となる電流値のことである。
2.3.2.内部直流抵抗値(DC−IR)の評価
前記「2.3.1.放電容量およびクーロン効率の評価」の評価後に、同じセルを定電流(0.2C)にて50%DOD(3.8V)まで充電した。その後、定電流(0.5C)にて10秒間充電を行った際の電圧変化を読み取り、1分間休止した後、さらに定電流(0.5C)にて10秒間放電を行った際の電圧変化を読み取った。電流値を0.5Cから1.0C、2.0C、3.0C、5.0Cに変更したこと以外は同様の方法で充放電時の電圧を読み取った。なお、測定条件において、「DOD」とは、充電容量に対する放電容量の割合のことを指す。例えば「DOD50%まで充電する」とは、全容量を100%とした場合、50%の容量だけ充電することを示す。
前記「2.3.1.放電容量およびクーロン効率の評価」の評価後に、同じセルを定電流(0.2C)にて50%DOD(3.8V)まで充電した。その後、定電流(0.5C)にて10秒間充電を行った際の電圧変化を読み取り、1分間休止した後、さらに定電流(0.5C)にて10秒間放電を行った際の電圧変化を読み取った。電流値を0.5Cから1.0C、2.0C、3.0C、5.0Cに変更したこと以外は同様の方法で充放電時の電圧を読み取った。なお、測定条件において、「DOD」とは、充電容量に対する放電容量の割合のことを指す。例えば「DOD50%まで充電する」とは、全容量を100%とした場合、50%の容量だけ充電することを示す。
次に、印加した電流値(A)を横軸、電圧値(V)を縦軸としたグラフを作成し、充放電各時において、プロット点を結んだ直線の勾配値を算出した。その勾配値をそれぞれ充電時および放電時の内部直流抵抗値(DC−IR)とした。各実施例および各比較例のリチウムイオン電池における充電時および放電時のDC−IRを表1に併せて示す。
充電時および放電時のDC−IRが60Ω以下である場合、負極表面に形成された保護被膜による抵抗が低いため良好と判断できる。
2.3.3.出力特性(放電レート特性)の評価
前記「2.3.2.内部直流抵抗値(DC−IR)の評価」の評価後に、同じセルを定電流(0.2C)にて充電を開始し、電圧が4.2Vになった時点で引き続き定電圧(4.2V)にて充電を続行し、電流値が0.01Cとなった時点を充電完了(カットオフ)とした。その後、定電流(3.0C)にて放電を開始し、電圧が2.7Vになった時点を放電完了(カットオフ)とした。
前記「2.3.2.内部直流抵抗値(DC−IR)の評価」の評価後に、同じセルを定電流(0.2C)にて充電を開始し、電圧が4.2Vになった時点で引き続き定電圧(4.2V)にて充電を続行し、電流値が0.01Cとなった時点を充電完了(カットオフ)とした。その後、定電流(3.0C)にて放電を開始し、電圧が2.7Vになった時点を放電完了(カットオフ)とした。
このようにして測定した3.0Cでの放電容量を、「2.3.1.放電容量およびクーロン効率の評価(基本充放電特性)」にて測定した0.2Cでの放電容量で割った値を3.0Cの放電容量維持率(%)とした。各実施例および各比較例のリチウムイオン電池における3.0Cの放電容量維持率を表1に併せて示す。
3.0Cの放電容量維持率が40%以上である場合、負極表面に形成された保護被膜による抵抗が低く高速放電が可能なため良好と判断できる。
2.3.4.サイクル特性の評価
前記「2.3.3.出力特性(放電レート特性)の評価」の評価後に、同じセルを定電流(1.0C)にて充電を開始し、電圧が4.2Vになった時点で引き続き定電圧(4.2V)にて充電を続行し、電流値が0.01Cとなった時点を充電完了(カットオフ)とした。その後、定電流(1.0C)にて放電を開始し、電圧が3.0Vになった時点を放電完了(カットオフ)とし、1サイクル目の放電容量を算出した。このようにして10回充放電を繰り返し、10サイクル目の放電容量を算出した。
前記「2.3.3.出力特性(放電レート特性)の評価」の評価後に、同じセルを定電流(1.0C)にて充電を開始し、電圧が4.2Vになった時点で引き続き定電圧(4.2V)にて充電を続行し、電流値が0.01Cとなった時点を充電完了(カットオフ)とした。その後、定電流(1.0C)にて放電を開始し、電圧が3.0Vになった時点を放電完了(カットオフ)とし、1サイクル目の放電容量を算出した。このようにして10回充放電を繰り返し、10サイクル目の放電容量を算出した。
このようにして測定した10サイクル目の放電容量を、1サイクル目の放電容量で割った値を10サイクル放電容量維持率(%)とした。各実施例および各比較例のリチウムイオン電池における10サイクル放電容量維持率を表1に併せて示す。
10サイクル目の放電容量維持率が50%以上である場合、負極表面に形成された安定な保護被膜が充放電サイクルで起こる不可逆反応を抑制するため良好と判断できる。
2.4.評価結果
実施例1〜4に係るリチウムイオン二次電池は、大きな電位窓を有する電解液を使用することにより大きな放電容量を備えると共に、電解液を劣化させることなく充放電することができるため、良好なクーロン効率、内部直流抵抗値(DC−IR)、出力特性(放電レート特性)、サイクル特性を示した。
実施例1〜4に係るリチウムイオン二次電池は、大きな電位窓を有する電解液を使用することにより大きな放電容量を備えると共に、電解液を劣化させることなく充放電することができるため、良好なクーロン効率、内部直流抵抗値(DC−IR)、出力特性(放電レート特性)、サイクル特性を示した。
一方、(A)成分の代わりに一般的な電解質であるリチウムヘキサフルオロホスフェート(LiPF6)を用いた比較例1、2に係るリチウムイオン二次電池では、電解窓が小さく、高電位側の電位窓が10V未満であるため、高電位域での非水電解液の電解反応ができず、不良と判断できる。
(B)成分を含有しない比較例3に係るリチウムイオン二次電池では、内部直流抵抗値(DC−IR)、出力特性(放電レート特性)、サイクル特性がいずれも不良であり、充放電特性は不良と判断できる。
比較例4〜5に係るリチウムイオン二次電池では、比率(MB/MC)が0.001未満である非水電解液を使用した。その結果、放電容量やクーロン効率は良好であるが、内部直流抵抗値(DC−IR)、出力特性(放電レート特性)、サイクル特性がいずれも不良であり、充放電特性は不良と判断できる。
比較例6〜9に係るリチウムイオン二次電池では、一般的な非水電解液に使用されているビニレンカーボネート、エチレンカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、プロピレンカーボネート等を使用した。しかしながら、非水電解液中に(A)成分が完全に溶解せず非水電解液を作製することができなかったため、評価試験を行うことができなかった。
比較例10〜11に係る蓄電デバイスでは、比率(MB/MC)が0.5を超えた非水電解液を使用した。しかしながら、非水電解液中に(A)成分が完全に溶解せず非水電解液を作製することができなかったため、評価試験を行うことができなかった。
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成(例えば、機能、方法および結果が同一の構成、あるいは目的および効果が同一の構成)を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成または同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
Claims (5)
- (A)LiB(CN)4と、
(B)炭素−炭素不飽和結合を少なくとも一つ有する環状炭酸エステルと、
(C)カルボン酸エステルと、
を含有し、
前記(B)成分の含有量(MB)[mmol/g]と前記(C)成分の含有量(MC)[mmol/g]との比率(MB/MC)が0.001〜0.5である非水電解液を備えることを特徴とする、リチウムイオン二次電池。 - 前記(B)炭素−炭素不飽和結合を少なくとも一つ有する環状炭酸エステルが、ビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネート、ジビニルエチレンカーボネートおよびフッ素化ビニレンカーボネートから選択される少なくとも1種である、請求項1に記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記(C)カルボン酸エステルが、γ−ブチロラクトンである、請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池。
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JP2011105250A JP2012238420A (ja) | 2011-05-10 | 2011-05-10 | リチウムイオン二次電池 |
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---|---|---|---|---|
JP2015026548A (ja) * | 2013-07-26 | 2015-02-05 | 株式会社日本触媒 | 過充電防止剤及びこれを含む電解液、並びにリチウムイオン二次電池 |
-
2011
- 2011-05-10 JP JP2011105250A patent/JP2012238420A/ja not_active Withdrawn
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JP2015026548A (ja) * | 2013-07-26 | 2015-02-05 | 株式会社日本触媒 | 過充電防止剤及びこれを含む電解液、並びにリチウムイオン二次電池 |
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